Intelligente Assistenz für den Menschen: KI und Robotik unter der Lupe • zdi-portal

Wie ist es möglich, dass ein kleiner Roboter in Form einer Biene zur Bestäubung von Pflanzen genutzt wird? Oder eine Maschine Emotionen erkennen und darauf reagieren kann? Das funktioniert, wenn Roboter mit Künstlicher Intelligenz (KI) ausgestattet werden. Diese Technologien eröffnen Robotern beeindruckende Möglichkeiten und lassen sie vielfältige Aufgaben bewältigen, die zuvor undenkbar waren.

Das Foto zeigt den Roboter Pepper, der in die Kamera blickt. — Foto von Alex Knight auf Unsplash

Im Rahmen dieses Beitrags werden Einblicke in die Fähigkeiten und Arbeitsweisen intelligenter Roboter gegeben. Außerdem haben wir im Gespräch mit Thorsten Leimbach, Leiter des Geschäftsfelds Smart Coding and Learning am Fraunhofer-Institut für Intelligente Analyse- und Informationssysteme IAIS und Leiter der Roberta-Initiative, einiges über die Nachwuchsförderung und KI-Politik in Nordrhein-Westfalen erfahren.

Die Verschmelzung von Technologien: Wenn KI dem Roboter Intelligenz verleiht

Ein Roboter und Künstliche Intelligenz (KI) sind zwei unterschiedliche Konzepte, die in Verbindung miteinander verwendet werden können.

Ein Roboter ist eine physische Maschine. Sie kann Aufgaben autonom oder unter Anleitung eines menschlichen Bedieners ausführen. Zudem können Roboter programmierbar sein und verschiedene Fähigkeiten haben, wie Bewegung, Greifen von Objekten, Sprachverarbeitung oder Bilderkennung.

KI bezieht sich auf die Fähigkeit von Maschinen, intelligentes Verhalten zu zeigen. Es handelt sich um eine Disziplin innerhalb der Informatik, die sich darauf konzentriert, Maschinen mit Fähigkeiten auszustatten, die normalerweise mit menschlicher Intelligenz verbunden sind. KI-Algorithmen und -Modelle ermöglichen es Computern und Systemen, Daten zu analysieren, Muster zu erkennen, Entscheidungen zu treffen und Probleme zu lösen.

KI macht einen Roboter intelligent!

Robotik = programmierbare Maschinen, die vorher definierte Befehle ausführen. Dabei muss ein Roboter den Befehlen gehorchen und kann keine eigenen Interpretationen des Befehls vornehmen.

Künstliche Intelligenz (KI) bezieht sich auf Systeme oder Programme, die menschenähnliche Denkprozesse simulieren und Aufgaben ausführen, die normalerweise menschliche Intelligenz erfordern.

Der Roboter wird dann zu einem intelligenten Agenten, der in der Lage ist, seine Umgebung wahrzunehmen, Daten zu analysieren und basierend darauf zu handeln. Kurz gesagt: Ein Roboter stellt die physische Komponente dar und KI die Intelligenz, die es dem Roboter ermöglicht, unabhängig zu handeln und mit seiner Umgebung zu interagieren.

KI-Technologien in der Robotik

KI-Technologien kommen in Robotern in verschiedenen Variationen und Anwendungen zum Einsatz, um ihnen kognitive Fähigkeiten, Lernfähigkeit, Entscheidungsfindung und Anpassungsfähigkeit zu ermöglichen. Dies sind einige der Gängigsten:

Das Foto zeigt einen Roboter der auf einer Bank sitzt und in einer Broschüre liest. — Foto von Andrea De Santis auf Unsplash

Maschinelles Lernen: Maschinelles Lernen ist eine Form von KI, bei der ein Roboter anhand von Daten und Erfahrungen lernt, Muster zu erkennen und Vorhersagen zu treffen. Dabei werden Algorithmen wie Supervised Learning, Unsupervised Learning oder Reinforcement Learning verwendet. Der Roboter kann beispielsweise durch maschinelles Lernen lernen, Objekte zu erkennen, Sprache zu verstehen oder menschliche Bewegungen nachzuahmen.
Neuronale Netzwerke: Neuronale Netzwerke sind KI-Modelle, die auf dem Aufbau und der Funktionsweise des menschlichen Gehirns basieren. Sie bestehen aus miteinander verbundenen künstlichen Neuronen und können komplexe Mustererkennungsaufgaben lösen. Neuronale Netzwerke finden Anwendung in Robotern, um visuelle Wahrnehmung, Sprachverarbeitung und Entscheidungsfindung zu verbessern.

Natürliche Sprachverarbeitung (Natural Language Processing, NLP): NLP bezieht sich auf die Fähigkeit eines Roboters, natürliche Sprache zu verstehen, zu interpretieren und darauf zu reagieren. KI-Modelle werden eingesetzt, um Spracheingaben von Benutzern zu analysieren, Fragen zu beantworten, Dialoge zu führen und Texte zu generieren. NLP ermöglicht die Interaktion mit Robotern über gesprochene oder geschriebene Sprache.
Computer Vision: Computer Vision bezieht sich auf die Fähigkeit eines Roboters, visuelle Informationen aus Bildern oder Videos zu interpretieren und zu verstehen. Mithilfe von KI-Algorithmen können Roboter Objekte, Gesichter, Gesten und andere visuelle Merkmale erkennen, verfolgen und interpretieren. Dies ermöglicht es ihnen, in ihrer Umgebung zu navigieren, Aufgaben durchzuführen und mit Objekten und Personen zu interagieren.
Reinforcement Learning: Reinforcement Learning ist eine Form des maschinellen Lernens, bei der ein Roboter durch positive Verstärkung belohnt wird, wenn er eine bestimmte Aktion ausführt und durch negative Verstärkung bestraft wird, wenn er eine ungünstige Aktion ausführt. Der Roboter lernt durch Versuch und Irrtum, optimale Handlungen in bestimmten Situationen zu wählen. Er trainiert komplexe Bewegungen oder die Navigation in dynamischen Umgebungen.

Intelligente Roboter: Von der Ackerbewässerung bis zur Krankheitsdiagnose

Im Alltag begegnen wir intelligenten Robotern in verschiedenen Formen, sei es in Gestalt von automatischen Rasenmähern oder an Hotelrezeptionen. Weitaus häufiger sind sie jedoch in Bereichen wie der Produktion oder Agrarwirtschaft im Einsatz. Es gibt verschiedene Beispiele für den Einsatz von KI in der Robotik, einen kleinen Einblick zeigen wir hier:

AgBot

Quelle: agxeed.com

Besonders ausgereift sind KI-basierte Roboter in der Agrarwirtschaft. Ein renommiertes Beispiel ist der Roboter AgBot. Er wird in der in Landwirtschaft eingesetzt, um Aufgaben wie Pflanzung, Bewässerung und Ernte zu automatisieren. AgBot nutzt KI-basierte Bildverarbeitung und maschinelles Lernen, um Pflanzen zu erkennen, Unkraut zu identifizieren und die optimale Pflege zu gewährleisten. Dies ermöglicht eine effizientere und genauere landwirtschaftliche Produktion.

RoboBee

Quelle: wyss.harvard.edu

Der RoboBee ist ein Miniaturroboter, der von der Harvard University entwickelt wurde und einer Biene nachempfunden ist. RoboBee kann fliegen und erlernt mithilfe von KI-Algorithmen autonome Bewegungen sowie die Anpassung an unterschiedliche Umgebungen. Sein Einsatzzweck liegt vor allem in der Umweltüberwachung und der Bestäubung.

NAO

Quelle: @AldebaranRobots

NAO ist ein kleiner humanoider Roboter, der von SoftBank Robotics entwickelt wurde. Er findet Anwendung in der Bildung, Forschung und Unterhaltung. NAO ist mit KI-Fähigkeiten ausgestattet, um Sprache zu verstehen, menschliche Interaktionen zu erkennen und Lernanwendungen für Kinder zu unterstützen. Der Roboter kann sich bewegen, gestikulieren und mit Menschen in Echtzeit interagieren.

Baxter

Sawyer ist ein kollaborativer Roboter der HAHN Group aus Bochum. Er ist darauf ausgelegt, sicher neben Menschen zu arbeiten und einfache Aufgaben in der Produktion zu übernehmen. Sawyer verwendet KI-Algorithmen, um Menschen zu erkennen, Handlungen zu planen und auf unvorhergesehene Situationen zu reagieren. Er kann mithilfe von maschinellem Lernen neue Aufgaben erlernen und sich an Veränderungen in seiner Umgebung anpassen.

Da Vinci Surgical System

Das Da Vinci Surgical System ist ein bekanntes robotergestütztes System, das in der minimalinvasiven Chirurgie eingesetzt wird. Es ermöglicht Chirurgen, präzise Bewegungen mit robotergesteuerten Instrumenten durchzuführen. Dadurch werden kleinere Schnitte, weniger Blutverlust und schnellere Genesungszeiten für die Patienten erreicht.

Dies sind nur einige Anwendungsbeispiele für den Einsatz von KI in der Robotik, es gibt zahlreiche weitere.

KI-Förderung in Nordrhein-Westfalen: Vielfältige Unterstützung für den technologischen Fortschritt

Die Landesregierung von Nordrhein-Westfalen hat mehrere Initiativen ins Leben gerufen und Maßnahmen ergriffen, um die KI-Technologie zu fördern. Sie sollen dazu beitragen, Nordrhein-Westfalen zu einem führenden Standort für KI-Forschung, -Entwicklung und -Anwendung zu machen. Hier sind einige Beispiele:

KI-Strategie NRW: Die Landesregierung hat eine KI-Strategie entwickelt. Die Strategie zielt darauf ab, die Potenziale von KI für Wirtschaft, Gesellschaft und Verwaltung zu nutzen.

In diesem Zusammenhang ist auch die Kompetenzplattform KI.NRW entstanden. Sie ist die zentrale Anlaufstelle für KI in Nordrhein-Westfalen. Ziel ist es, den Transfer von KI aus der Spitzenforschung in die Wirtschaft zu beschleunigen, eine Leitregion für berufliche Qualifizierung in KI aufzubauen und Impulse im gesellschaftlichen Dialog zu setzen. Außerdem unterstützt KI.NRW mit der Dachmarke Flagships powered by KI.NRW vom Land geförderte Vorhaben als KI-Leuchtturmprojekte.

Besonders erwähnenswert ist auch das in Gründung befindliche AI Village in Hürth. Es soll der erste voll-digitalisierte Campus für Forschung, Entwicklung und praxisnahe Demonstration von Anwendungen der KI und Robotik in Europa werden. Ein Schwerpunkt soll dabei auf der Aus- und Weiterbildung liegen. Lehrkräfte und Schüler können Weiterbildungsangebote in den Bereichen Robotik, Maschinelles Lernen, Data Science und Datensouveränität wahrnehmen.

Nordrhein-Westfalen bietet außerdem verschiedene Förderprogramme an, die KI-Projekte unterstützen. Dazu gehören beispielsweise das Innovationsprogramm Künstliche Intelligenz (KI-IP), das den Transfer von KI-Forschungsergebnissen in die Wirtschaft fördert, und das Förderprogramm „KI-Anwendungen in der Wirtschaft“, das Unternehmen bei der Entwicklung und Implementierung von KI unterstützt.

Unterstützung für Lehrende und Schüler:innen in NRW: KI-Technologie und Robotik erleben und kennenlernen

Der Fachkräftemangel im Bereich KI und Robotik in Deutschland ist groß. Laut einer Studie des Instituts der deutschen Wirtschaft (IW) im Jahr 2020 gab es in Deutschland eine Lücke von etwa 124.000 IT-Fachkräften, zu denen auch Expert:innen im Bereich KI und Robotik zählen. Und laut einer Schätzung des Branchenverbandes Bitkom (Bundesverband Informationswirtschaft, Telekommunikation und Neue Medien) werden bis 2025 etwa 114.000 zusätzliche Expert:innen im Bereich KI benötigt. Zudem ergab die Befragung, dass 77 Prozent der befragten Unternehmen der Meinung sind, dass der Fachkräftemangel im Bereich KI und Robotik ihre Innovationskraft einschränkt. Besonderer Mangel herrscht an Experten für Maschinelles Lernen und Deep Learning. Es wird geschätzt, dass derzeit nur etwa 2.000 bis 3.000 Expert:innen in diesem Bereich arbeiten.

Künstliche Intelligenz erhält einen festen Platz im Informatikunterricht in NRW

KI wird oft als komplexe Technologie wahrgenommen, die nur von Fachleuten verstanden und gestaltet werden kann. Dabei können Kompetenzen in diesem Teilgebiet der Informatik schon in der Schule altersgerecht vermittelt werden. Deshalb hat seit der Einführung des Pflichtfachs Informatik in Klasse 5/6 aller weiterführenden Schulen zum Schuljahr 2021/22 in NRW auch der Bereich Künstliche Intelligenz einen festen Platz im Informatikunterricht. Hier werden unter anderem Anwendungsbeispiele von KI aus der Lebenswelt der Schülerinnen und Schüler thematisiert sowie Grundprinzipien des Maschinellen Lernens vermittelt.

Bildung in Robotik für Lehrkräfte und Schüler:innen in NRW

Es existieren diverse Angebote im Bereich Robotik und KI für Lehrende und Schüler:innen. Ein besonders etablierter Player in NRW ist das Fraunhofer-Institut für Intelligente Analyse- und Informationssysteme IAIS. Dabei ist es unter allen Fraunhofer-Instituten am stärksten in der MINT-Bildung und Nachwuchsförderung aktiv.

„KI wird unser Leben verändern. Wir können uns dem nicht mehr entziehen“, sagt Leimbach. „Daher freuen wir uns beim IAIS, wenn wir mehr Gestalter:innen in diesem Technologiefeld heranziehen und fördern können.“

Thorsten Leimbach, Leiter des Geschäftsfelds Smart Coding and Learning am Fraunhofer IAIS und Leiter der Roberta-Initiative

DAs Foto zeigt Thorsten Leimbach. — Foto: Fraunhofer IAIS

Die bekanntesten Projekte des IAIS sind Roberta und Open Roberta. Mit der Initiative Roberta bietet das Institut seit 2002 Lehrkräften Schulungen im Umgang mit Robotik und digitalen Lernmaterialien. Aus dem Hause IAIS stammt ebenfalls Open Roberta. Diese Open-Source-Programmierplattform ist weltweit etabliert und hat monatlich 350.000 Zugriffe.
Darüber hinaus berät das IAIS auch öffentliche Einrichtungen wie das Ministerium für Schule und Bild in NRW oder trainiert Ausbilder in Unternehmen. Thorsten Leimbach, Leiter des Geschäftsfelds Smart Coding and Learning am Fraunhofer IAIS und Leiter der Roberta-Initiative, betonte im Gespräch, wie sehr dem IAIS an der Nachwuchsförderung gelegen ist.

zdi: Die Gemeinschaftsoffensive für den MINT-Nachwuchs in NRW

Die Themen KI und Robotik sind auch ein Schwerpunkt der Gemeinschaftsoffensive Zukunft durch Innovation.NRW (zdi). Viele zdi-Netzwerke und zdi-Schüler:innenlabore bieten Kurse zu diesen Schwerpunkten an. In Paderborn beispielsweise lernen Schüler:innen der Jahrgangsstufe 5 bis 9 die Funktionsweise von KI kennen. Bei einem Angebot des zdi-Zentrums Lippe.MINT Kreis Lippe tauchen Jugendliche in die vernetzte Welt der Industrie 4.0 ein und programmieren ihren Digitalen Zwilling. Auf der zdi-Community-Plattform gibt es eine Übersicht des gesamten Angebotes von zdi.

Bereits seit 2006 ist auch der zdi-Roboterwettbewerb ein fester Bestandteil der Arbeit der Gemeinschaftsoffensive. Die Begeisterung für Robotik ist den Teams in jedem Jahr aufs Neue wieder anzumerken. Dass die Wettbewerbe eine effektive Form der Nachwuchsförderung darstellen, zeigt sich zum Beispiel an der Zahl der Teilnehmenden, die später selbst zu Coaches werden und sich beruflich in Richtung Robotik orientieren – wie unsere zdi-Heldin, die Mechatronikerin Sophie Charlotte Keunecke.

Weitere Bildungs- und Weiterbildungsangebote in NRW

AI4Schools: Im Projekt AI4Schools können Schüler:innen alles rund um KI erfahren und zukunftsträchtige Berufe kennenlernen. Die Ausbildung befähigt Lehrkräfte dazu, das Wissen auch langfristig in der Schule zu verankern.
Die Plattform KI in der Berufsausbildung von der Google Zukunftswerkstatt und dem Fraunhofer IAIS bietet kostenfreie Online-Schulungen und Lehr- und Lernmaterialien an.
NETZWERK Q 4.0 – Netzwerk zur Qualifizierung des Berufsbildungspersonals im digitalen Wandel. Das Institut der deutschen Wirtschaft (IW) erarbeitet und erprobt gemeinsam mit den Bildungswerken der Wirtschaft und anderen Bildungsinstitutionen regional- und branchenspezifische Weiterbildungsformate für Ausbilder:innen sowie weitere Lehrende in der Ausbildung. Übersicht des Bildungsangebots

Wie verändert KI unser Schulsystem?

Vor Kurzem war zdi im Gespräch mit Mathe-YouTuber und Bildungsunternehmer Daniel Jung. Im Interview betonte er, dass die Bildung zu den Bereichen gehöre, die in den nächsten fünf Jahren besonders stark durch KI verändert werden. Lesen Sie mehr.

Der Blogbeitrag basiert im Wesentlichen auf Internetrecherchen. Außerdem bedanken wir uns bei Thorsten Leimbach vom Fraunhofer IAIS, der im Interview viele hilfreiche Hinweise zum Thema und zum Angebot in NRW gegeben hat.